WO2002043913A1

WO2002043913A1 - Verfahren zum verbinden von metallgegenständen

Info

Publication number: WO2002043913A1
Application number: PCT/AT2001/000377
Authority: WO
Inventors: Alois Furthner
Original assignee: Fronius Schweissmaschinen Produktion Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2002-06-06
Also published as: DE10195150D2; AU2002218056A1; WO2002043913A8

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von Metallgegenständen, bei dem ein erster Metallgegenstand mit einem niedrigeren Schmelzpunkt, im folgenden A-Teil (27) genannt, mit einem zweiten Metallgegenstand mit einem höheren Schmelzpunkt, im folgenden S-Teil (28) genannt, verbunden wird. Der A-Teil (27) wird über einen Wärmeeinbringungs-prozess in einem Verbindungsbereich (29) an- bzw. aufgeschmolzen, wogegen der S-Teil (28), insbesondere eine Oberfläche (30) des S-Teils (28), im Verbindungsbereich (29) nicht bzw. nur geringfügig an- bzw. aufgeschmolzen wird.

Description

Verfahren zum Verbinden von Metallgegenständen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Metallgegenständen, wie es im Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben ist.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird bei einer Aluminium/Stahl- Verbindung, bei der ein Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, im folgenden A-Teil genannt, mit einem unlegierten bzw. verzinkten oder organisch beschichteten Metall bzw. Teil, wie beispielsweise mit Bonazink, oder legierten Stahlteil, im folgenden S-Teil genannt, verbunden wird, entweder ein reiner Schweißprozeß oder ein reiner Lötprozeß eingesetzt.

Bei einem Schweißprozeß, wie er aus der WO 94/07642 bekannt ist, findet dabei eine Aufschmelzung des A-Teils und des S-Teils über den Lichtbogen statt, wobei sich die aufgeschmolzenen Materialien in dem gemeinsamen Schmelzbad vermischen und nach Abkühlung eine entsprechende Verbindungsstelle durch die Schweißraupe ausbilden. Nachteilig ist hierbei, daß aufgrund der unterschiedlichen Materialien eine sehr dicke Versprödungsschicht, insbesondere eine sehr dicke intermetallische Phase, die kaum beeinflußbar ist, gebildet wird, so daß die Festigkeit der Verbindungsstelle sehr gering ist, wodurch bei geringer Beanspruchung, beispielsweise beim Verdrehen bzw. Verwinden der beiden Gegenstände zueinander, die Schweißnaht sehr leicht zerstört bzw. aufgerissen wird.

Wird hingegen ein Lötprozeß durchgeführt, so wird ein Zusatzmaterial, beispielsweise eine Lötpaste, im Verbindungsbereich aufgetragen, so daß bei einer Erwärmung ohne Einwirkung eines Lichtbogens das Zusatzmaterial schmilzt und in den Endbereich der Verbindungsstelle eindringt. Nach Abkühlung bildet sich anschließend eine entsprechende Verbindungsstelle aufgrund der Diffusion des Zusatzmaterials in die Oberfläche der Gegenstände, insbesondere in den A-Teil und den S-Teil, aus. Nachteilig ist hierbei, daß wesentliche Vorarbeiten, insbesondere die Reinigung der Oberfläche vor und nach dem Lötprozeß, sowie das Auftragen des Löt-Zusatzmaterials, durchgeführt werden müssen, welche sehr zeitintensiv und kostspielig sind. Ein weiterer wesentlicher Nachteil liegt darin, daß derartige Verbindungen nur für kleinere Gegenstände möglich sind, da diese für die Erhitzung des Zusatzmaterials in einen Lötofen eingebracht werden müssen. Wird hingegen der Lötprozeß mit einem Flammverfahren durchgeführt, so wird zwar erreicht, daß größere Gegenstände bearbeitet werden können, jedoch die Vor- und Nachbehandlung, sowie das Auftragen des Zusatzmaterials wiederum vor- genommen werden müssen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindung von Metallgegenständen, insbesondere einer Aluminium/Stahl- Verbindung, zu schaffen, bei dem ohne jegliche Vorbehandlung und ohne jegliche Zusatzkomponente das Auslangen gefunden wird.

Diese Aufgabe der Erfindung wird derartig gelöst, daß der A-Teil über einen Wärmeeinbringungsprozeß in einem Verbindungsbereich an- bzw. aufgeschmolzen wird, wogegen der S- Teil, insbesondere eine Oberfläche des S-Teils, im Verbindungsbereich nicht bzw. nur geringfügig an- bzw. aufgeschmolzen wird.

Vorteilhaft ist hierbei, daß dadurch eine Kombination eines Schweißprozesses und eines Lötprozesses in einem Verfahren, insbesondere in einem Arbeitsschritt, durchgeführt werden kann und somit die einzelnen Vorteile der einzelnen Verfahren vollständig zu tragen kommen. Dadurch sind keinerlei Vorarbeiten, wie das Reinigen der Oberfläche vor dem Verbindungs- prozeß, das Auftragen des Zusatzmaterials und die Reinigung der Oberfläche nach dem Verbindungsprozeß, mehr notwendig. Gleichzeitig wird jedoch erreicht, daß die Dicke der entstehenden Versprödungsschicht durch das Eindiffundieren in die Oberfläche des S-Teils sehr gering gehalten werden kann, so daß eine hohe Festigkeit einer derartigen Verbindung erzielt werden kann. Ein wesentlicher Vorteil liegt vor allem aber darin, daß auf die Ausbildung, ins- besondere auf die Dicke der Versprödungsschicht, Einfluß genommen werden kann, da durch die Anwendung des Schweißprozesses die Wärmeeinbringung auf den S-Teil, die für die Ausbildung der Versprödungsschicht bzw. der intermetallischen Phase maßgebend ist, durch entsprechende Steuerung eines Schweißgerätes bzw. des Schweißprozesses gesteuert werden kann, so daß über das erfindungsgemäße Schweiß/Löt- Verfahren eine Steuerung der Dicke der Versprödungsschicht bzw. der intermetallischen Phase durchgeführt werden kann. Ein besonderer Vorteil wird bei einer derartigen Verbindung dadurch erreicht, daß durch die Schweiß/Löt- Verbindung die elektrische Leitfähigkeit zwischen den beiden Materialien aufrecht erhalten bleibt und die Verbindung gleichzeitig eine Dichtheit gegenüber Luft und Wasser aufweist, wogegen bei einer Klebeverbindung der beiden Materialien diese nicht immer gegeben ist. Damit bringt eine derartige Verbindung wesentliche Vorteile in der Automobilindustrie, da hierbei die Karosserie eines Fahrzeuges als elektrischer Leiter verwendet wird und somit keine zusätzlichen Leitungen, wie dies bei einer Klebeverbindung der Fall ist, mehr benötigt werden.

Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den Ansprüchen 2 bis 15 beschrieben. Die sich dar- aus ergebenden Vorteil sind der Beschreibung zu entnehmen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der in den nachfolgenden Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schweißmaschine bzw. eines Schweißgerätes;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Schweißanordnung für eine Uberlappverbindung vor dem

Verbindungsprozeß in vereinfachter, schematischer Darstellung;

Fig. 3 eine Seitenansicht der Schweißanordnung für die Überlappverbindung während des Verbindungsprozesses in vereinfachter, schematischer Darstellung;

Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Überlappverbindung nach dem Verbindungsprozeß in vereinfachter, schematischer Darstellung.

Einführend sei festgehalten, daß in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, un- ten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen. Weiters können auch Einzelmerkmale oder Merkmalskombinationen aus den gezeigten und beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsbeispielen für sich eigenständige, erfinderische oder erfindungsgemäße Lösungen darstellen.

In Fig. 1 ist eine Schweißanlage bzw. ein Schweißgerät 1 für verschiedenste Schweißverfahren, wie z.B. MIG/MAG-Schweißen bzw. WIG/TIG-Sch weißen oder Elektroden-Schweißverfahren, Doppeldraht/Tandem-Schweißverfahren, Laser-Hybrid-Schweißverfahren, Plasma- Schweiß verfahren usw., gezeigt. Selbstverständlich ist es möglich, daß die erfindungsgemäße Lösung bei einer Stromquelle bzw. einer Schweißstromquelle eingesetzt werden kann. Das Schweißgerät 1 umfaßt eine Stromquelle 2 mit einem Leistungsteil 3, einer Steuervorrichtung 4 und einem dem Leistungsteil 3 bzw. der Steuervorrichtung 4 zugeordneten Umschaltglied 5. Das Umschaltglied 5 bzw. die Steuervorrichtung 4 ist mit einem Steuerventil 6 verbunden, welches in einer Versorgungsleitung 7 für ein Gas 8, insbesondere ein Schutzgas, wie beispielsweise CO₂, Helium oder Argon und dgl., zwischen einem Gasspeicher 9 und einem Schweißbrenner 10 angeordnet ist.

Zudem kann über die Steuervorrichtung 4 noch ein Drahtvorschubgerät 11, welches für das MIG/MAG-Schweißen üblich ist, angesteuert werden, wobei über eine Versorgungsleitung 12 ein Schweißdraht 13 von einer Vorratstrommel 14 in den Bereich des Schweißbrenners 10 zugeführt wird. Selbstverständlich ist es möglich, daß das Drahtvorschubgerät 11, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, im Schweißgerät 1, insbesondere im Grundgehäuse, integriert ist und nicht, wie in Fig. 1 dargestellt, als Zusatzgerät ausgebildet ist.

Der Strom zum Aufbauen eines Lichtbogens 15 zwischen dem Schweißdraht 13 und einem

Werkstück 16 wird über eine Schweißleitung 17 vom Leistungsteil 3 der Stromquelle 2 dem Schweißbrenner 10 bzw. dem Schweißdraht 13 zugeführt, wobei das zu verschweißende Werkstück 16 über eine weitere Schweißleitung 18 ebenfalls mit dem Schweißgerät 1, insbesondere mit der Stromquelle 2, verbunden ist und somit über den Lichtbogen 15 für einen Schweißprozeß ein Stromkreis aufgebaut werden kann.

Zum Kühlen des Schweißbrenners 10 kann über einen Kühikreislauf 19 der Schweißbrenner 10 unter Zwischenschaltung eines Strömungswächters 20 mit einem Flüssigkeitsbehälter, insbesondere einem Wasserbehälter 21, verbunden werden, wodurch bei der Inbetriebnahme des Schweißbrenners 10 der Kühlkreislauf 19, insbesondere eine für die im Wasserbehälter 21 angeordnete Flüssigkeit verwendete Flüssigkeitspumpe, gestartet wird und somit eine Kühlung des Schweißbrenners 10 bzw. des Schweißdrahtes 13 bewirkt werden kann.

Das Schweißgerät 1 weist weiters eine Ein- und/oder Ausgabevorrichtung 22 auf, über die die unterschiedlichsten Schweißparameter, Betriebsarten oder Schweißprogramme des Schweißgerätes 1 eingestellt bzw. aufgerufen werden können. Dabei werden die über die Ein- und/ oder Ausgabevorrichtung 22 eingestellten Schweißparameter, Betriebsarten oder Schweißprogramme an die Steuervorrichtung 4 weiter geleitet und von dieser werden anschließend die einzelnen Komponenten der Schweißanlage bzw. des Schweißgerätes 1 angesteuert. Weiters ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Schweißbrenner 10 über ein Schlauchpaket 23 mit dem Schweißgerät 1 bzw. der Schweißanlage verbunden. In dem Schlauchpaket 23 sind die einzelnen Leitungen vom Schweißgerät 1 zum Schweißbrenner 10 angeordnet. Das Schlauchpaket 23 wird über eine zum Stand der Technik zählende Verbin- dungsvorrichtung 24 mit dem Schweißbrenner 10 verbunden, wogegen die einzelnen Leitungen im Schlauchpaket 23 mit den einzelnen Kontakten des Schweißgerätes 1 über Anschlußbuchsen bzw. Steckverbindungen verbunden sind. Damit eine entsprechende Zugentlastung des Schlauchpaketes 23 gewährleistet ist, ist das Schlauchpaket 23 über eine Zugentlastungsvorrichtung 25 mit einem Gehäuse 26, insbesondere mit dem Grundgehäuse des Schweißge- rätes 1, verbunden.

Grundsätzlich ist zu erwähnen, daß für die unterschiedlichen Schweißverfahren bzw. Schweißgeräte, wie beispielsweise WIG-Geräte oder MIG/M AG-Geräte, nicht alle zuvor benannten Komponenten verwendet bzw. eingesetzt werden müssen.

In den Fig. 2 bis 4 ist ein Nichteisen-Metallteil und ein vorwiegend aus Eisen bestehender Metallteil gezeigt, die kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden. Der Nichteisen-Metallteil besteht aus einem Nichteisenwerkstoff, z.B. aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung und wird im folgenden A-Teil 27 genannt, wogegen der Metallteil aus Eisen bzw. Stahl legiert oder unlegiert bzw. organisch beschichtet oder verzinkt, wie beispielsweise mit Bonazink verzinkt, ausgebildet ist und im folgenden S-Teil 28 genannt wird.

Eine Wärmeeinbringung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch einen Wärmeeinbringungsprozeß, welcher beispielsweise durch einen Lichtbogen, insbeson- dere einen Lichtbogenschweißprozeß, oder mit Hilfe eines Lasers erreicht wird, durchgeführt.

Wesentlich dabei ist, daß dabei die Einbringung einer genau festlegbaren bzw. regelbaren Wärmemenge erfolgt und diese Wärmeeinbringung örtlich begrenzt und größtenteils auf den A-Teil erfolgt, wie dies im folgenden näher beschrieben wird.

Erfindungsgemäß ist nunmehr vorgesehen, daß die beiden zuvor beschriebenen Verfahren, insbesondere der Schweißprozeß, bei dem eine Aufschmelzung eines Gegenstandes stattfindet, und der Lötprozeß, bei dem keine Aufschmelzung eines Gegenstandes stattfindet, sondern ein Zusatzmaterial in die Oberfläche eines Gegenstandes eindiffundiert wird, zu einem einzigen Verbindungsprozeß, insbesondere einen Schweiß/Löt-Prozeß, zusammengefaßt wer- den, d.h., daß gleichzeitig, also in einem Arbeitsschritt, für die Herstellung einer Aluminium/ Stahl- Verbindung ein Schweißprozeß und ein Lötprozeß durchgeführt werden, wobei hierzu der A-Teil 27 über einen Lichtbogen-Schweißprozeß in einem Verbindungsbereich 29 an- bzw. aufgeschmolzen wird, wogegen der S-Teil 28, insbesondere eine Oberfläche 30 des S- Teils 28, im Verbindungsbereich nicht auf- bzw. nur geringfügig angeschmolzen wird.

Damit wird erreicht, daß sich ein ausbildendes Schmelzbad 31 auf der Oberfläche 30 des S- Teils 28 ausbildet, jedoch der Lichtbogen 15, wie schematisch in Fig. 3 angedeutet, des Schweißprozesses keinerlei bzw. nur geringfügige Aufschmelzung am S-Teil 28 vornimmt. Durch die Temperatur des Schmelzbades 31 wird erreicht, daß dieses, insbesondere das flüs- sige Material des Schmelzbades 31, in die Oberfläche 30 des S-Teils 28 hineindiffundiert und somit nach Abkühlung eine Verbindung vom Schmelzbad 31 zum S-Teil 28 hergestellt wird. Durch den Diffusionsvorgang des Schmelzbades 31 auf die Oberfläche 30 des S-Teils 28 wird weiters erreicht, daß nur eine sehr geringe Versprödungsschicht, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel nicht ersichtlich ist, ausgebildet wird und somit eine hohe Verbindungsfe- stigkeit erzielt wird.

Über die Wärmeeinbringung kann dabei auf die Dicke der Versprödungsschicht, insbesondere auf die Dicke der intermetallische Phase, Einfluß genommen werden, d.h., daß bei einer geringen Wärmeeinbringung auf den S-Teil eine sehr dünne Versprödungsschicht bzw. inter- metallische Phase erreicht wird. Die Wärmeeinbringung wird über die Schweißparameter des

Stromdurchschnittes, der Schweißspannung und der Schweißgeschwindigkeit gesteuert, wobei die entsprechenden Schweißparameter von den angewandten Schweißverfahren und der Materialien des A-Teils und des S-Teils abhängig sind. Dabei wird ein besonders gutes Schweißergebnis bzw. eine sehr dünne Versprödungsschicht erreicht, wenn die Steuerung des Schweißgerätes 1 derart erfolgt, daß die Wärmeeinbringung E < 2.000 J/cm² beträgt.

Dabei ist es sehr wesentlich, welches Zusatzmaterial bzw. welcher Schweißdraht 13 eingesetzt wird. Der aus dem Schweißdraht 13 durch Abschmelzen zugeführte Zusatzwerkstoff ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Volldraht ausgebildet, der aus unterschiedlichen Legie- rungsbestandteilen zusammengesetzt werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, daß jedoch auch ein Fülldraht eingesetzt werden kann. Dabei wird der Zusatzwerkstoff bevorzugt aus einem abschmelzenden Schweißdraht 13 gebildet, wobei jedoch bei einem Einsatz einer nichtabschmelzenden Elektrode ein Zusatzwerkstoff zugeführt wird.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 bis 4 ist eine sogenannte Überlapp- Verbin- dung dargestellt, d.h., daß beispielsweise der A-Teil 27 überlappend auf dem S-Teil 28 - gemäß Darstellung in Fig. 2 - angeordnet wird, wobei zumindest ein Teilbereich der Überlappung den Verbindungsbereich 29 definiert. Selbstverständlich ist es möglich, daß auch andere Verbindungsarten, wie beispielsweise Stumpfnähte, Bördelnähte, Kehlnähte usw., hergestellt werden können.

Um nunmehr das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere das Schweiß/Löt- Verfahren, durchführen zu können, wird der Schweißdraht 13 so auf die Schweißverbindung ausgerichtet, daß eine Verlängerung des Schweißdrahtes 13 direkt auf den A-Teil 27 trifft, wie dies mit einer Längsachse 32 schematisch dargestellt ist, d.h., daß die Elektrode, insbesondere der aus dem Schweißbrenner 10 austretende Schweißdraht 13, derart ausgerichtet wird, daß dieser auf dem A-Teil 27 gerichtet ist bzw. sich auf den A-Teil 27 erstreckt. Der Lichtbogen 15 des Lichtbogen-Schweißprozesses - wie schematisch in Fig. 3 angedeutet - wird dadurch zwischen dem A-Teil 27 und der Elektrode bzw. dem Schweißdraht 13 des Schweißbrenners 10 oder zwischen dem Schmelzbad 31 und der Elektrode aufgebaut. Damit wird erreicht, daß sich der Lichtbogen 15 hauptsächlich auf dem A-Teil 27 ausbildet und somit dieses an- bzw. aufschmilzt. Das sich daraus ergebende Schmelzbad 31 bzw. die sich ergebende Schweißraupe setzt sich somit aus dem Material des A-Teils 27 und dem Zusatzwerkstoff, insbesondere den Materialien des abgeschmolzenen Schweißdrahtes 13, zusammen, wobei jedoch im Übergangsbereich 33 zwischen dem Schmelzbad 31 und dem S-Teil 28 das Schmelzbad 31 mit dem Material des S-Teils 28 geringfügig vermischt wird und somit eine Grenzschicht bzw. die sogenannte Versprödungsschicht 34, wie schematisch durch eine dicke Linie in Fig. 3 angedeutet, entsteht. Eine derartige Versprödungsschicht 34 wird jedoch beim Übergang des A-Teils 27 zum Schmelzbad 31 nicht gebildet, da das Schmelzbad 31 im wesentlichen aus dem aufgeschmolzenen Material des A-Teils 27 besteht und somit eine einfache Verbindung durch den Schweißprozeß hergestellt wird.

Durch das Aufschmelzen des A-Teils 27 breitet sich das flüssige Schmelzbad 31, bestehend aus den Materialien des A-Teils 27 und des Zusatzwerkstoffs, auf der Oberfläche 30 des S- Teils 28 aus, so daß das Schmelzbad 31, bestehend aus dem flüssigen Material des A-Teils 27 und einem Zusatzwerkstoff des Schweißdrahtes 13, eine Schutzschicht für die Oberfläche 30 des S-Teils 28 gegen den Lichtbogen 15 ausbildet, wobei vom Schmelzbad 31 aufgrund der entsprechenden Temperatur eine Lötverbindung mit dem S-Teil 28 ausgebildet wird, d.h., daß das Aufschmelzen des S-Teils 28 vorwiegend durch das flüssige Schmelzbad 31 des A-Teils 27 mit dem abgeschmolzenen Zusatzwerkstoff erfolgt und somit keine direkte bzw. nur eine geringe Lichtbogeneinwirkung auf die Oberfläche 30 des S-Teils 28 stattfindet. Der Lötprozeß wird derartig erreicht, daß der Lichtbogen 15 für den Schweißprozeß nur ein Element, insbesondere den A-Teil 27, aufschmilzt, wobei der Lötprozeß durch das sich auf der Oberfläche 30 ausbildende flüssige Schmelzbad 31 aufgrund der entsprechenden Temperatur und den entsprechenden, enthaltenen Materialien hervorgerufen wird. Damit wird erreicht, daß nur eine sehr geringe Aufschmelzung der Oberfläche 30 des S-Teils 28 durch das Schmelzbad 31 hervorgerufen wird, wobei jedoch eine sehr hohe Diffusionswirkung des Schmelzbades 31 auf die Oberfläche 30 des metallischen Materials, insbesondere auf den S-Teil 28, ausgeübt wird und somit nur eine ganz dünne Reaktions- bzw. Kontaktzone 35, wie in Fig. 4 dargestellt, ge- schaffen wird, so daß ein sehr dünner Versprödungsbereich bzw. eine sehr dünne Versprödungsschicht 34 erzielt wird.

Gleichzeitig wird erreicht, daß durch die Kapillarwirkung ein Teil des flüssigen Schmelzbades 31 zwischen den nichtaufgeschmolzenen Teilen des A-Teils 27 und des S-Teils 28 ein- dringt und somit eine zusätzliche Verlötung der nichtaufgeschmolzenen Teile geschaffen wird. Damit wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß eine Vergrößerung der Verbindungsfläche, also der Kontaktzone 35, für die beiden Teile hergestellt wird, wodurch ein noch besserer Halt der beiden Teile zueinander erzielt wird.

Damit ist auch ein Einsatz eines derartigen Verbindungsverfahrens beispielsweise im Automobilbau, bei dem aufgrund der Vibrationen und Verwindungen der Karosserie sehr starke Belastungen anfallen, möglich. Speziell in der Automobilindustrie findet ein derartiges Verfahren besonders vorteilhafte Anwendungen, da dadurch der Rahmenaufbau bzw. die tragfähigen Elemente des Fahrzeuges aus einem sehr stabilen Material, insbesondere aus Stahl- elementen, aufgebaut werden können, an die anschließend die nichtmetallischen Elemente, wie beispielsweise die Kotflügel, die Außenhaut usw., befestigt werden können. Damit wird eine wesentliche Gewichtseinsparung erreicht und gleichzeitig eine sehr hohe Sicherheit geboten, ohne daß dabei spezielle und sehr teure Aufbauten, wie es bei reinen Aluminiumaufbauten der Fall ist, benötigt werden. Auch bei den bereits bestehenden Mischaufbauten wird eine erhebliche Vereinfachung bei der Herstellung erreicht, da die unterschiedlichen Materialien nicht mehr verschraubt bzw. vernietet oder verklebt werden müssen und somit automatische Fertigungsstraßen in Form von Schweißrobotern zur Durchführung eines automatischen Schweiß/Löt-Prozesses eingesetzt werden können.

Durch die entsprechende Wahl der Parameter und der definierten Ausrichtung der Elektrode bzw. des Schweißdrahtes 13 entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel und die Einhaltung der Verfahrensschritte wird nunmehr dem Fachmann die Möglichkeit eröffnet, den Versprödungsbereich bzw. die Versprödungsschicht 34 so zu steuern, daß eine entsprechend geringe Dicke erzielt werden kann und somit die Festigkeit einer derartigen Verbin- düng wesentlich erhöht werden kann. Es wird damit erstmalig möglich, durch einen einfachen

Prozeß mit handelsüblichen Komponenten einer Schweißanlage bzw. eines Schweißgerätes 1 eine direkte Verbindung eines A-Teils 27 mit einem S-Teil 28 herzustellen.

Wesentlich bei dem erfindungs gemäßen Verfahren ist dabei, daß der Lichtbogen 15 haupt- sächlich bzw. nur am A-Teil 27 und/oder auf dem Schmelzbad 31 ausgebildet ist, so daß ein

Großteil der zugeführten Energie, insbesondere zwischen 60 % und 95 % der Flächenenergie des Lichtbogens 15, auf den A-Teil 27 gerichtet ist, wodurch sich das Schmelzbad 31 hauptsächlich aus dem Material des A-Teils 27 und des Zusatzwerkstoffes ausbildet. Trifft jedoch ein geringer Anteil des Lichtbogens 15 auf den S-Teil 28, so findet eine entsprechende Erwär- mung der Oberfläche 30 statt. Dabei ist darauf zu achten, daß die zugeführte Energie über den

Lichtbogen 15 derart eingestellt ist, daß es zu keiner bzw. nur zu einer geringfügigen Aufschmelzung des S-Teils 28 kommen kann, d.h., daß die Energiezufuhr über den Lichtbogen 15 derart geregelt bzw. gesteuert wird, daß lediglich genügend Energie zur Verfügung steht, um ein Aufschmelzen des A-Teils 27 zu erreichen, wogegen der S-Teil 28 mit dieser Energie- zufuhr nicht aufgeschmolzen werden kann.

Zur Verhinderung eines Luftzutritts aus der Atmosphäre in das Schmelzbad 31 wird das den Lichtbogen 15 umhüllende Gas 8 durch den Schweißbrenner 10 zugeführt. Das Gas bzw. Schutzgas besteht beispielsweise aus Argon, Helium, Stickstoff, Kohlendioxyd und Sauerstoff oder dgl. oder einem Gasgemisch aus diesen Arten. Durch die Auswahl eines speziellen Gases bzw. einer speziellen Gaszusammensetzung wird erreicht, daß bei derartigen Verbindungen zwischen einem A-Teil 27 und einem S-Teil 28 eine Versprödung der Schweißverbindung, also die Versprödungsschicht 34, fast zur Gänze verhindert wird.

Die Versprödungsschicht 34 beeinflußt nämlich maßgeblich die Festigkeit der Schweißverbindung, wobei diese Versprödungsschicht 34 durch das eingesetzte Verfahren, insbesondere des Schweiß/Löt- Verfahrens, eine Dicke kleiner 5 μm aufweist. Je dünner diese Versprödungsschicht 34 ausgebildet wird, desto höher ist die Festigkeit der Schweißverbindung. Damit eine sehr dünne Versprödungsschicht 34 erreicht werden kann, ist es notwendig, daß die Einstellung des Schweißgerätes 1 , insbesondere die unterschiedlichen Parameter, sowie die weiteren in den Prozeß einwirkenden Komponenten, wie das Gas 8 bzw. Schutzgas und der Schweißdraht 13 bzw. das Zusatzmaterial, besonders wichtig sind.

Wird beispielsweise ein MIG-Schweißgerät 1 bzw. eine Stromquelle 2 verwendet, mit der ein pulsförmiger Strom abgegeben werden kann, so wird ein besonders gutes Schweißergebnis, insbesondere eine besonders dünne Versprödungsschicht 34 bzw. eine dünne intermetallische Phase, bei einer Überlappschweißung mit 2 1 mm dicken Teilen dann erzielt, wenn die Parameter derart gewählt werden:

Strommittelwert: < 40 A

Pulsspannung: 15 V

Drahtvorschubgeschwindigkeit: 2,5 m/min

Bei einem WIG-Schweißprozeß wird beispielsweise dann ein gutes Schweißergebnis bei einer Überlappschweißung mit 2 1 mm dicken Teilen erreicht, wenn die Parameter derartig eingestellt werden:

Schweißstrom: < 70 A

Schweißspannung: 15 V

Drahtvorschub: < 2 m/min

Bei einem Standard-MIG/MAG-Schweißprozeß wird beispielsweise dann ein gutes Schweißergebnis bei einer Überlappschweißung mit 2 x 2 mm dicken Teilen erreicht, wenn die Parameter derart eingestellt werden:

Schweißstrom: < 100 A

Schweißspannung: 13 V

Drahtvorschub: 3,5 - 4 m/min Selbstverständlich ist es möglich, daß aufgrund der unterschiedlichen A-Teile 27 und der S- Teile 28 die Parameter entsprechend verändert bzw. angepaßt werden können. Weiters ist es möglich, daß aufgrund eines Einsatzes eines Schweißgerätes 1 die entsprechenden Parameter für bestimmte Schweißverbindungen hinterlegt werden können. Dabei ist es auch möglich, daß von einem Benutzer ein Parameter "Wärmeeinbringung" eingestellt werden kann, wobei vom Schweißgerät 1 anschließend selbständig die einzelnen Parameter zur Bildung der eingegebenen Wärmeeinbringung von einer hinterlegten Tabelle ermittelt bzw. berechnet werden. Hierzu ist es zu empfehlen, daß die entsprechend zu verschweißenden Materialien bei der Parameterermittlung mit einbezogen werden, d.h., daß vom Benutzer diese Materialien am Schweißgerät 1 ebenfalls eingestellt werden.

Es sei an dieser Stelle daraufhingewiesen, daß das beschriebene Verfahren nicht nur zum Herstellen einer Aluminium/Stahl- Verbindung verwendet werden kann, sondern auch zur Verbindung von anderen Metallen, wie beispielsweise Kupfer/Stahl oder dgl., herangezogen werden kann.

Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, daß zum besseren Verständnis des Schweißgerätes 1 dieses bzw. dessen Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.

Die den eigenständigen erfinderischen Lösungen zugrundeliegende Aufgabe kann der Beschreibung entnommen werden.

Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1; 2, 3, 4 gezeigten Ausführungen und Maßnah- men den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Die diesbezüglichen, erfindungsgemäßen Aufgaben und Lösungen sind den Detailbeschreibungen dieser Figuren zu entnehmen. Bezu szeichen aufs tellung

Schweißgerät

Stromquelle

Leistungsteil

Steuervorrichtung

Umschaltglied

Steuerventil

Versorgungsleitung

Gas

Gasspeicher

S chweißbrenner

Drahtvorschubgerät

Versorgungsleitung

Schweißdraht

Vorratstrommel

Lichtbogen Werkstück Schweißleitung Schweißleitung Kühlkreislauf Strömungswächter Wasserbehälter Ein- und/oder Ausgabevorrichtung Schlauchpaket Verbindungsvorrichtung Zugentlastungsvorrichtung Gehäuse A-Teil S-Teil Verbindungsbereich Oberfläche Schmelzbad Längsachse Übergangsbereich Versprödungsschicht Kontaktzone

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Verfahren zum Verbinden von Metallgegenständen, bei dem ein erster Metallgegenstand mit einem niedrigeren Schmelzpunkt, im folgenden A-Teil (27) genannt, mit einem zweiten Metallgegenstand mit einem höheren Schmelzpunkt, im folgenden S-Teil (28) genannt, verbunden wird, dadurch gekennzeichnet, daß der A-Teil (27) über einen Wärmeeinbringungsprozeß in einem Verbindungsbereich (29) an- bzw. aufgeschmolzen wird, wogegen der S-Teil (28), insbesondere eine Oberfläche (30) des S-Teils (28), im Verbindungsbereich (29) nicht bzw. nur geringfügig an- bzw. aufgeschmolzen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den A-Teil (27) Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den S-Teil (28) legierter oder unlegierter bzw. organisch beschichteter oder verzinkter, wie beispielsweise mit Bonazink verzinkter, Stahl verwendet wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeeinbringungsprozeß mittels eines Lichtbogens (15), insbeson- dere durch einen Lichtbogen-Schweißprozeß, oder mittels eines Lasers durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Wärmeeinbringungsprozeß, insbesondere durch den Schweißprozeß, der A-Teil (27) an- bzw. aufgeschmolzen und dadurch ein Schmelzbad (31) gebildet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lötprozeß mit dem S-Teil (28) durch das flüssige Schmelzbad (31) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtbogen (15) des Lichtbogen-Schweißprozesses hauptsächlich zwischen dem A-Teil (27) und einer Elektrode bzw. einem Schweißdraht (13) eines Schweißbrenners (10) oder zwischen dem Schmelzbad (31) und der Elektrode bzw. dem Schweißdraht (13) aufgebaut wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in das Schmelzbad (31), bestehend aus dem flüssigen Material des A- Teils (27), ein Zusatzwerkstoff durch die Elektrode, insbesondere die abschmelzende Elektrode, bzw. den Schweißdraht (13) eingebracht wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Schmelzbad (31) eine Schutzschicht für die Oberfläche (30) des S-Teils (28) gegen den Lichtbogen (15) ausgebildet wird und durch das Schmelzbad (31) kein bzw. nur ein geringfügiger Einbrand am S-Teil (28) verursacht wird.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode bzw. der aus dem Schweißbrenner (10) austretende Schweißdraht (13) vorwiegend auf den A-Teil (27) gerichtet wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Eindiffusion zumindest einzelner Bestandteile des Schmelzbades (31) eine Verbindung, insbesondere eine Lötverbindung, zwischen dem A-Teil (27) und dem S-Teil (28) erreicht wird.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden des A-Teils (27) mit dem S-Teil (28) gleichzeitig, also in einem Arbeitsschritt, der Schweißprozeß und der Lötprozeß durchgeführt werden.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schweißprozeß eine Aufschmelzung des A-Teils (27) über den

Lichtbogen (15) stattfindet und beim Lötprozeß keine bzw. nur eine geringfügige Aufschmelzung des S-Teils (28) stattfindet, wobei das Material des A-Teils (27) gegebenenfalls mit einem Zusatzmaterial, insbesondere mit dem abgeschmolzenen Schweißdraht (13), im Verbindungsbereich (29) in die Oberfläche des S-Teils (28) eindiffundiert.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Diffusionsvorgang zumindest einzelner Bestandteile des Schmelzbades (31) in oberflächennahe Bereiche des S-Teils (28) eine sehr dünne Versprödungsschicht (34) bzw. eine sehr dünne Schicht mit intermetallischer Phase, die bevorzugt < 5 μm beträgt, ausgebildet wird.

15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wärmeeinbringung des Wärmeeinbringungsprozesses auf E < 2.000 J/cm² geregelt wird.